Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн

В приближении многократной дифракции Френеля на полуплоскостях численным методом исследованы особенности пеленгования источника излучения СВЧ радиоволн над поверхностью моря с ветровым волнением при малых углах скольжения и малых высотах над поверхностью. Показано, что такая модель не противоречит...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Разсказовский, В.Б., Логвинов, Ю.Ф.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Subjects:	Распространение и рассеяние волн
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10792
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 494-502. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10792
record_format	dspace
spelling	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. 2010-08-06T15:21:08Z 2010-08-06T15:21:08Z 2008 Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 494-502. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10792 537.86:621.371(260).029.65 В приближении многократной дифракции Френеля на полуплоскостях численным методом исследованы особенности пеленгования источника излучения СВЧ радиоволн над поверхностью моря с ветровым волнением при малых углах скольжения и малых высотах над поверхностью. Показано, что такая модель не противоречит экспериментальным данным по пеленгованию источника излучения при высотах, сравнимых с высотой морских волн. У наближенні багаторазової дифракції Френеля на напівплощинах чисельним методом досліджено особливості пеленгування джерела випромінювання НВЧ радіохвиль над поверхнею моря з вітровим хвилюванням при малих кутах ковзання і малих висотах над поверхнею. Показано, що така модель не суперечить експериментальним даним з пеленгування джерела випромінювання при висотах, порівнянних з висотами морських хвиль. The elevation measuring of microwave transmitter above the sea surface with wind waves at small grazing angles and low altitudes have been studied in multiple Fresnel diffraction approach by means of numerical methods. It is shown that this model conforms to experimental data on measuring the elevation of transmitter at altitudes comparable to the sea wave height. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Распространение и рассеяние волн Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн Вимір кута місця джерела випромінювання при дифракційній моделі поширення радіохвиль The diffraction model of radiowave propagation in elevation measurement of transmitter Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
spellingShingle	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф. Распространение и рассеяние волн
title_short	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
title_full	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
title_fullStr	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
title_full_unstemmed	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
title_sort	измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн
author	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф.
author_facet	Разсказовский, В.Б. Логвинов, Ю.Ф.
topic	Распространение и рассеяние волн
topic_facet	Распространение и рассеяние волн
publishDate	2008
language	Russian
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Вимір кута місця джерела випромінювання при дифракційній моделі поширення радіохвиль The diffraction model of radiowave propagation in elevation measurement of transmitter
description	В приближении многократной дифракции Френеля на полуплоскостях численным методом исследованы особенности пеленгования источника излучения СВЧ радиоволн над поверхностью моря с ветровым волнением при малых углах скольжения и малых высотах над поверхностью. Показано, что такая модель не противоречит экспериментальным данным по пеленгованию источника излучения при высотах, сравнимых с высотой морских волн. У наближенні багаторазової дифракції Френеля на напівплощинах чисельним методом досліджено особливості пеленгування джерела випромінювання НВЧ радіохвиль над поверхнею моря з вітровим хвилюванням при малих кутах ковзання і малих висотах над поверхнею. Показано, що така модель не суперечить експериментальним даним з пеленгування джерела випромінювання при висотах, порівнянних з висотами морських хвиль. The elevation measuring of microwave transmitter above the sea surface with wind waves at small grazing angles and low altitudes have been studied in multiple Fresnel diffraction approach by means of numerical methods. It is shown that this model conforms to experimental data on measuring the elevation of transmitter at altitudes comparable to the sea wave height.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10792
citation_txt	Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн / В.Б. Разсказовский, Ю.Ф. Логвинов // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 3. — С. 494-502. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT razskazovskiivb izmerenieuglamestaistočnikaizlučeniâpridifrakcionnoimodelirasprostraneniâradiovoln AT logvinovûf izmerenieuglamestaistočnikaizlučeniâpridifrakcionnoimodelirasprostraneniâradiovoln AT razskazovskiivb vimírkutamíscâdžerelavipromínûvannâpridifrakcíiníimodelípoširennâradíohvilʹ AT logvinovûf vimírkutamíscâdžerelavipromínûvannâpridifrakcíiníimodelípoširennâradíohvilʹ AT razskazovskiivb thediffractionmodelofradiowavepropagationinelevationmeasurementoftransmitter AT logvinovûf thediffractionmodelofradiowavepropagationinelevationmeasurementoftransmitter
first_indexed	2025-11-26T00:17:50Z
last_indexed	2025-11-26T00:17:50Z
_version_	1850599534738014208
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, № 3, 2008, с. 494-502 ИРЭ НАН Украины, 2008 РАСПРОСТРАНЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ВОЛН УДК 537.86:621.371(260).029.65 ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА МЕСТА ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ДИФРАКЦИОННОЙ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: vadimr@ire.kharkov.ua В приближении многократной дифракции Френеля на полуплоскостях численным методом исследованы особенности пеленгования источника излучения СВЧ радиоволн над поверхностью моря с ветровым волнением при малых углах скольжения и малых высотах над поверхностью. Показано, что такая модель не противоречит экспериментальным данным по пеленгованию источника излучения при высотах, сравнимых с высотой морских волн. Ил. 8. Библиогр.: 18 назв. Ключевые слова: дифракция, морская поверхность, малые углы скольжения. При изучении распространения метровых и более коротких радиоволн на сухопутных трас- сах со сложным рельефом во многих случаях от- мечалось, что зависимость амплитуды поля от высоты подобна существующей при дифракции Френеля на полуплоскости [1-5]. Такие высотные структуры возникали тогда, когда на трассе рас- пространения находились либо элементы рельефа местности типа холмов и горных вершин, либо трассу пересекали лесополосы или опушки леса. При пеленговании в таких условиях возникали значительные ошибки определения как угла мес- та, так и азимутального направления на источник излучения [4-6]. В ряде случаев, например, при распро- странении в гористой местности для объяснения наблюдаемых особенностей поля используется гипотеза о дифракции Френеля последовательно на нескольких вершинах [2], и для расчета мно- жителя ослабления предложен ряд методов, на- пример [7-10]. Логическим развитием такого под- хода явилось применение приближения много- кратной дифракции Френеля к распространению радиоволн в городской местности [11], когда ко- личество препятствий на трассе велико. В наших работах [12-14] обосновано применение модели многократной дифракции Френеля к описанию характеристик поля радио- волн см и мм диапазонов длин волн над поверх- ностью моря с ветровым волнением и показано, что такой подход позволяет объяснить экспери- ментально наблюдаемые особенности множителя ослабления поля на высотах, сравнимых с высо- той морских волн. Учитывая достаточно большое количест- во трасс, на которых доминирующим механизмом влияния на распространение радиоволн является однократная или многократная дифракция Фре- неля на деталях рельефа местности или поверх- ности, представляется необходимым проанализи- ровать особенности работы в этих условиях пе- ленгационных систем, в том числе использующих один из широко применяемых методов снижения ошибок пеленгования – внеосевой метод. При анализе ограничимся только составляющей оши- бок пеленгования в вертикальной плоскости, ко- торая, как показано в ряде теоретических и экс- периментальных работ (см., например, [3-5]), су- щественно превосходит ошибки пеленгования в горизонтальной плоскости. Анализ начнем с исследования особенно- стей пространственной структуры поля при рас- пространении радиоволн на трассе с одиночным или несколькими последовательно расположен- ными препятствиями, предполагая, что для них выполняются условия работ [1-3], и потому пра- вомерна замена реальных препятствий непро- зрачными полуплоскостями (далее – экранами). Поскольку наибольший интерес представляют особенности пеленгования в вертикальной плос- кости, т. е. по углу места, будем рассматривать двумерный случай, схема трассы для которого показана на рис. 1, а (одиночное препятствие) и рис. 1, б (группа препятствий типа городских строений). Вначале при анализе физической сто- роны явлений для упрощения расчетов будем предполагать все экраны, образующие группу, эквидистантными и равновысокими; влияние не- эквидистантности и случайных высот будут рас- смотрены позже. В случае одиночного экрана прямые PR и PT (см. рис. 1, а), проведенные через вершину препятствия из точек приема и излуче- ния, являются геометрическими границами тени, и структура поля при выполнении неравенств ,1 , , RT RT D h RTD , , RTh , , 1 (1) и критериев работ [1, 3] описывается дифракцией Френеля на непрозрачной полуплоскости. В (1) – длина волны, смысл остальных параметров понятен из рис. 1, а. В зависимости от значения параметра mailto:vadimr@ire.kharkov.ua В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 495 , )( 2 )( 2 D DDDk D hh DD hh D DDDk u ii i iR i iT ii (2) 2 k различают следующие области пространства: – освещенная область пространства, характе- ристики поля в которой определяются, в первую очередь, влиянием среды распространения и мно- голучевым распространением над поверхность раздела: ;1u (3, а) – переходная область: ;1u (3, б) – область полутени: ;11 u (3, в) – область глубокой тени, дифрагированное по- ле в которой имеет очень низкую интенсивность, и работа в ней радиосистем связана с использовани- ем полей, проникающих за счет рассеяния в тропо- сфере или отражения от ионосферы: 1u . (3, г) P R T DR DT D hP hR hT а) R T DR DT D hi D diDi б) Рис. 1. Схема трассы распространения радиоволн: а) – оди- ночное препятствие; б) – группа препятствий типа городских строений При группе препятствий, как показано в [4] и ряде других экспериментальных работ, пре- дельными в некотором смысле являются две си- туации. При первой компактная группа препятст- вий занимает малую часть общей протяженности трассы. К таким, например, относятся лесополо- сы, группы компактно расположенных строений и тому подобные объекты. Высотная структура поля за такими объектами, по крайней мере, при значениях параметра ,u не превышающих не- скольких единиц, близка к картине дифракции Френеля на полуплоскости [1, 4, 5]. Противопо- ложным рассмотренному является случай, когда препятствия заполняют трассу на всем ее протя- жении. Такие условия имеют место при распро- странении над населенными пунктами, в частно- сти, ряд авторов показывают применимость мо- дели многократной дифракции Френеля к расчету уровней сигналов мобильной связи в условиях городской застройки [10]. Рассмотрим влияние дифракции на оди- ночном экране и на группе экранов на углы при- хода радиоволн в точку наблюдения, находящую- ся в области полутени или вблизи от нее. Осо- бенности методики численного расчета поля при многократной дифракции Френеля изложены в наших работах [13, 14]. В них же проанализиро- ваны характеристики множителя ослабления как в функции высоты точки наблюдения, так и в за- висимости от других параметров трассы. Локаль- ное направление распространения волны в верти- кальной плоскости для точки наблюдения на вы- соте h определялось как dh hd k h )(1 )( , (4) где )(h – угол между направлением распро- странения волны, т. е. нормалью к фазовому фронту волны в рассматриваемой точке, и гори- зонтальной осью координат; )(h – фаза поля в функции высоты точке наблюдения. Первичными данными численных расче- тов являлись массивы значений комплексных амплитуд поля в точке наблюдения как функций номера отсчета n при шаге h )(Im)(Re)()()( nUinUnUnhUhU  , через вещественную и мнимую части которых оценка производной фазы по высоте может быть представлена в виде ___________________________________________ . )1(Im)(Im)1(Re)(Re )1(Im)(Re)1(Re)(Im arctg 1)1()()1( nUnUnUnU nUnUnUnU hh nn h nhnh dh d   (5) εТ ψ В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 496 Преимуществом использования (5) вме- сто вычисления )()( nhh и последующего их попарного вычитания для оценки производной фазы по высоте является отсутствие у функции (5) скачков в точках .)(n Исходными при расчетах были следую- щие параметры трассы, которые, с одной сторо- ны, соответствовали реально встречающимся в практике наземных радиолокационных систем, а с другой стороны, позволили получить достаточ- но точные и представительные результаты при приемлемых требованиях к ЭВМ и затратах ма- шинного времени: длина волны 1 см, протя- женность трассы D 1 км, интервал изменения высоты точки наблюдения с шагом 2,5 см состав- лял 20 м. Результаты расчетов для одиночного экрана, расположенного по дальности в центре трассы, приведены на рис. 2, а, по оси абсцисс ко- торого отложены значения высоты точки наблю- дения в метрах, а по оси ординат – значения углов распространения волны в точке наблюдения. Кри- выми 1 и 2 обозначены углы прихода при высоте излучателя 0 м (кривая 1) и 2 м (кривая 2). Грани- цы тени соответствуют при этом приемные высо- ты 4 и 2 м, а значению 1u – высоты 5,26 и 3,26 м. Прямая 3 показывает, каким было бы на- правление распространения, если бы источником цилиндрической волны являлась прямолинейная граница экрана, а прямая 4 соответствует направ- лению распространения волн от источника излу- чения при его высоте 0 м в отсутствие экрана, т. е. в условиях свободного пространства. Из графиков видно, что в области выше границы тени угол прихода осциллирует вокруг существующего в свободном пространстве с ам- плитудой осцилляций, не превышающей одной угловой минуты, причем в рассматриваемом при- ближении дифракции Френеля эта амплитуда не изменяется с ростом параметра дифракции. В об- ласти u < 0 происходит асимптотическое сближе- ние направлений распространения дифрагировав- шей волны и так называемой краевой волны [15], источником которой является граница экрана. Из этого следует, что в области ниже границы тени при пеленговании будет определяться направление не на первичный источник излучения, находящий- ся в т. Т (рис. 1), а на границу препятствия. Эта осо- бенность пеленгования на реальных наземных трас- сах в области полутени и тени ранее отмечалась в ряде экспериментальных исследований [4, 5]. На рис. 2, б аналогичные результаты приведены для случая группы препятствий, моде- лируемых системой из десяти равновысоких эк- видистантных экранов с высотой границ 2 м, рас- стояния между экранами составляют 90 м, а уда- ления крайних из них от позиций излучателя и точки наблюдения равны 100 м. Расчет выполнен для трех значений высоты излучателя: 1 м (кри- вая 1), 2 м (кривая 2) и 4 м (кривая 3). Прямая 4 на этом рисунке показывает направление прихода волны от края ближайшего к точке наблюдения экрана, а прямые 5 и 6 – направление прихода волн в свободном пространстве от источника из- лучения при его высотах 1 и 4 м соответственно. При высоте излучателя 1 м граница тени форми- руется ближайшим к нему экраном, ее высота в месте приема составляет 11 м. При Th 2 м она совпадает с линией границ экранов. 0 4 8 12 16 20 Высота точки приема, м -4 0 4 8 12 16 20 У го л п р и х о д а р ад и о в о л н ы , м р а д 1 4 3 2 а) 0 4 8 12 16 20 Высота точки приема, м -10 -5 0 5 10 У го л п р и х о д а р ад и о в о л н ы , м р ад -10 -5 0 5 10 А м п л и ту д а п о л я , д Б 7 2 3 5 1 4 6 б) Рис. 2. Углы прихода и амплитуда поля радиоволны при ди- фракции Френеля: а) – одиночный экран; б) – группа из 10 эквидистантных равновысоких экранов Начиная с высоты около 2,2 м при Th 4 м для точки приема и для всех экранов, вы- полняется условие u 1. Как видно из графиков (кривые 1, 2, 3), ниже границы тени, как и в случае –4 –5 –5 –10 –10 В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 497 одиночного экрана, направления прихода дифра- гированных волн асимптотически стремятся к уг- лу, соответствующему волне, излученной краем ближайшего к точке наблюдения экрана (прямая 4). Как показывает анализ, в более общем случае неравновысоких экранов доминирующую роль будет играть граница экрана, для которого ди- фракционный параметр выражения (2) имеет наи- меньшее значение, т. е. создающего более глубо- кую тень. Выше границы тени направление прихо- да дифрагированной волны практически совпадает с направлением прихода в свободном пространстве непосредственно от источника (прямые 5, 6), при- чем осцилляции, имевшие место в предыдущем случае одиночного экрана, отсутствуют (они появ- ляются при значительно больших высотах, соот- ветствующих превышению границы тени от бли- жайшего к источнику излучения экрану). При ис- точнике излучения, находящемся выше плоскости границ экрана и u 1, зависимость направления прихода от высоты имеет осцилляции (кривая 3), природа и характеристики которых аналогичны случаю влияния плоской границы раздела сред, совпадающей с плоскостью границ экранов. Заме- тим, что точка перегиба кривых 1, 2 лежит в об- ласти сравнительно низких интенсивностей ди- фракционного поля, что следует из зависимости нормированной амплитуды поля от высоты точки наблюдения (кривая 7) при высоте излучателя 2 м. До сих пор рассматривалось влияние ди- фракции на локальные направления распростра- нения волны в точке наблюдения. При измерении направлений на источник излучения реальным пеленгатором в большей или меньшей мере будет проявляться усредняющее действие апертуры приемной антенны. Обычно в пеленгаторах ра- диолокационных систем см и мм диапазонов длин волн применяются антенны с шириной диа- граммы направленности 0,5÷2º, которой соответ- ствуют размеры апертуры (30÷120) , причем, например, у бортовых наземных и авиационных систем размер антенны часто не должен превы- шать 0,5÷1 м. При моделировании сплошная апертура пеленгационной антенны заменялась эквидистантно распределенными по высоте дис- кретными ненаправленными приемными элемен- тами. При используемом нами числе элементов 13, расстоянии между соседними элементами 5 см (т. е. 5 ) и распределении поля по апертуре в форме функции Хемминга диаграмма направ- ленности антенны по уровню 3 дБ составляла 20,5 мрад, а уровень боковых лепестков был ме- нее 38 дБ. Угловое расстояние между повто- ряющимися главными максимумами ДН (диа- граммы направленности) составляло 200 мрад, что исключало влияние на результаты пеленгова- ния даже ближайших к используемому повтор- ных лепестков, так как существенно превышало угловые размеры зоны, в которой находился как источник излучения, так и границы экранов. Результаты численного моделирования пеленгования источника излучения разностно- фазовым методом антенной системой с диаметра- ми апертур каждой из антенн 60 и разнесением их центров по высоте на 10 см иллюстрируются рис. 3, 4. 0 4 8 12 16 20 Высота источника излучения, м -5 0 5 10 15 20 25 И зм е р е н н ы й у го л м е ст а, м р ад 1 2 4 3 а) 0 4 8 12 16 20 Высота источника излучения, м 0 0.4 0.8 1.2 Н о р м и р о в а н н ая а м п л и ту д а с и гн а л а 5 3 1 4 2 , , , б) Рис. 3. Влияние группы из 10 равновысоких эквидистантных экранов на зависимость от высоты источника излучения харак- теристик поля для высоты центра приемной антенны 2 м при различной ориентации максимума диаграммы направленности приемной антенны: а) – измеренные углы места; б) – нормиро- ванные амплитуды сигнала На рис. 3, а приведены графики текущих значений измеренного угла места в функции высо- ты излучателя при высоте центра пеленгационной антенны 2 м. Поскольку высота границ всех экра- нов также равнялась 2 м, то центр антенны лежал в плоскости границ экранов. При нулевой высоте –5 В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 498 источника излучения практически вся апертура антенны пеленгатора находится ниже границы тени, и при подъеме излучателя постепенно со- кращается доля затененной части апертуры антен- ны. При достижении высоты 5,2 м граница тени даже от ближайшего к пеленгатору экрана оказы- вается ниже нижней границы апертуры. Рассмот- рим, что происходит с пеленгом (рис. 3, а) и ам- плитудой принятого сигнала (рис. 3, б) при изме- нении высоты источника излучения. Поскольку на уровень принятого сигнала и результаты пеленго- вания сильно влияет ориентация ДН антенны, ис- следуются два случая пеленгования: при горизон- тально ориентированной оси ДН и при ее отклоне- нии вверх на угол порядка полуширины ДН. От- клонение оси вверх, ослабляющее влияние переиз- лучения препятствиями, соответствует так назы- ваемому внеосевому измерению угла места и на- ходит широкое применение на практике; откло- нение вниз вызывается, в основном, несовершен- ством работы системы стабилизации антенны, реже – специальными соображениями. На рис. 3, а прямая 1 показывает точное значение направления на источник излучения, т. е. пеленг в условиях свободного пространства, кривые 2, 3, 4 соответствуют углам возвышения оси 0º (горизонтально), 15 и 20 мрад. Из графиков видно, что при погружении источника в тень его пеленг перестает изменяться и асимптотически приближается к некоторому фиксированному значению, мало отличающемуся от направления на вершины препятствий. При высоте источника излучения, когда нижний край апертуры антенны выходит из области геометрической тени (при- мерно 5,2 м) форма зависимости пеленга от высо- ты становится осциллирующей, подобной зави- симости при пеленговании над плоской границей раздела. Наклон луча вверх на угол 15 мрад при- водит к существенному уменьшению амплитуды осцилляций: если при горизонтальном положении оси луча первый максимум соответствовал от- клонению от точного направления примерно на 4,5 мрад, то при приподнятом луче он составил около 1 мрад. Увеличение угла возвышения до 20 мрад приводит к уменьшению ее еще пример- но вдвое. При этом вид кривых вблизи границы тени и ниже нее практически не изменяется. Влияние наклона максимума ДН на ам- плитуду принимаемого сигнала иллюстрируется рис. 3, б. Кривые 1 и 2 соответствуют изменению уровня сигнала в свободном пространстве, т. е. показывают форму ДН при углах 0 и 15мрад в отсутствие препятствий. При ди- фракции на десяти экранах, как видно из сравне- ния кривых 3 (горизонтальный луч) и 4 (угол воз- вышения 15мрад), происходит незначительное снижение амплитуды сигнала (примерно на 3 1 ) при малых высотах и возрастание его более чем в два раза по сравнению со случаем 0 (кривая 3) в окрестностях максимума ДН. Дальнейшее увеличение угла возвыше- ния сопровождается существенным (более чем в два раза) снижением уровня принятого сигнала в широком интервале высот источника излучения (кривая 5). Аналогичные по содержанию зависимо- сти для высоты центра антенны пеленгатора 4 м приведены на рис. 4. В этом сигнале практически при всех высотах излучателя, за исключением начального участка высотой около 2 м, линия визирования излучатель – пеленгатор лежит вы- ше границы тени, и измеренные значения пеленга осциллируют вокруг точного значения. 0 4 8 12 16 20 Высота источника излучения, м -10 0 10 20 И зм е р е н н ы й у го л м ес та , м р а д и ан 5 2 1 4 3 а) 0 4 8 12 16 20 Высота источника излучения, м 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Н о р м и р о в а н н ая а м п л и ту д а с и гн а л а 3 1 2 4 6 5 , , , , б) Рис. 4. Влияние группы из 10 равновысоких эквидистантных экранов на зависимость от высоты источника излучения харак- теристик поля для высоты центра приемной антенны 4 м при различной ориентации максимума диаграммы направленности приемной антенны: а) – измеренные углы места; б) – нормиро- ванные амплитуды сигнала –10 В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 499 Как и в предыдущем случае (рис. 3, а), амплитуда осцилляций существенно уменьшается при отклонении луча вверх, это видно при сравне- нии кривой 2 (угол возвышения ДН 0 ) с кривыми 3 и 4 (углы возвышения ДН 15 и 20 мрад соответ- ственно). И наоборот: при отклонении луча вниз на 10 мрад (кривая 5) ошибки возрастают почти в три раза. В области высот источника излучения, когда значительная часть пеленгационной антенны оказывается в области тени, характер зависимости ошибок пеленгования от высоты источника анало- гичен рассмотренному при анализе рис. 3, а. На рис. 4, б приведены зависимости, аналогичные рис. 3, б, дополненные кривой 6 для случая на- клона луча пеленгационной антенны вниз на 10 мрад. Из вышеизложенного следует практиче- ски важный вывод: эффективность внеосевого метода пеленгования, разработанного для случая пеленгования над поверхностью моря при дейст- вии интерференционного механизма формирова- ния поля, остается высокой и в случае механизма многократной дифракции. Заметим, что угол возвышения в 15 мрад, составляющий 0,73 ширины ДН и использован- ный при расчете графиков рис. 3 и 4, близок к оптимальному значению, рекомендованному в [16, 17] для случая влияния отражения от шеро- ховатой плоской поверхности (рекомендованное значение около 14 мрад). Далее рассмотрим случай, когда высоты экранов являются независимыми случайными величинами с нормальным законом распределе- ния. Остальные параметры трассы, а также метод пеленгования, база разностно-фазового пеленга- тора и размер субапертур приемных антенн, когда это не оговорено специально, остались прежни- ми. С целью сокращения объема вычислений при наборе статистических данных для каждого ком- плекта параметров ограничимся пятью независи- мыми реализациями ансамблей высот экранов, уменьшив до 10 м диапазон изменения высоты излучателя и увеличив ее шаг до 0,5 м. В разных вариантах расчетов использовались три значения среднеквадратического отклонения высот h эк- ранов от одинакового для всех среднего значения равного 0 м, а именно 0,1; 0,3 и 0,5 м. Критерия- ми, характеризующими степень влияния разброса высот экранов на дифрагированное поле, являют- ся следующие параметры: – параметр, аналогичный параметру Релея для шероховатых поверхностей [12] ;sin 2 1 hq (6) – параметр, характеризующий отношение среднеквадратического отклонения высот экра- нов h к поперечному размеру первой зоны Френеня 0a 0 2 a q h , (7) где D DDD k a ii )( 0 . (8) Здесь – угол скольжения по отношению к го- ризонтальной границе, соответствующей средней высоте экранов; iD – расстояние до рассматри- ваемого экрана. Наибольшими значениями ,1q имеющим место при максимальных используе- мых высотах излучателя и приемника для приня- той при моделировании протяженностью трассы и выбранных для расчета значениях h , являются 0,75 (при h 0,1 м); 2,63 (при h 0,3 м) и 3,б77 (при h 0,5 м). Это означает, что только при наименьшем значении разброса высот экра- нов их влияние на дифрагированное поле будет частично когерентным, в то время как в осталь- ных случаях создаваемые возмущения поля (и, следовательно, пеленгов) будут суммироваться как независимые воздействия. Радиус первой зо- ны Френеля минимален для крайних экранов и равен 0,66 м. Это означает, что возмущения поля, пропорциональные затенениям первой зоны Фре- неля экранами, также значительны и будут зави- сеть, в первую очередь, от разброса высоты край- них экранов. Сказанное подтверждается резуль- татами моделирования, приводимыми на рис. 5-8. 0 2 4 6 8 10 Высота источника излучения, м -4 0 4 8 12 У го л м ес та ; С К О и зм ер ен и й , м р ад 4 2 1 3 5 Рис. 5. Средние значения измеренных углов места и их СКО при высоте центра пеленгационной антенны 0,35 м На рис. 5 показаны зависимости изме- ренного угла места от высоты излучателя при высоте центра пеленгационной антенны 0,35 м. Прямая 1 соответствует истинным (геометриче- ским) значениям угла места излучателя, кри- –4 В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 500 вые 2, 3 являются средним значением и средне- квадратическим отклонением (СКО) измеренного угла места от его среднего значения при h 0,1 м, а кривые 4 и 5 соответствуют тем же величинам при h 0,5 м. Из графиков видно, что при h 0,1 м зависимость средних значений измеренных углов подобна приведенной на рис. 3 для равновысоких экранов (с учетом отличия начальных высот цен- тра пеленгационной антенны и излучателя), а значения СКО случайной составляющей (кри- вая 3) не превышают 2 мрад. При h 0,5 м на высотах до 3…4 м, где на результаты пеленгова- ния доминирующее влияние оказывает высота первого, ближайшего к пеленгатору экрана, СКО измеренных углов места достигает 4…6 мрад, что соответствует случайным изменениям угловой высоты экрана (около 5 мрад). Случайный харак- тер изменения в функции высоты средних значе- ний улов места связан, по-видимому, с недоста- точным объемом статистики (оценки рассчитыва- лись по 5 независимым реализациям). При высоте центра пеленгационной антенны 2 м и h 0,1 м (рис. 6) как ошибки измерения среднего значения угла места, так и их СКО возрастают по сравне- нию с приведенными на рис. 5, что является след- ствием примерно одинакового влияния несколь- ких крайних экранов на поле в точке приема. В то же время при h 0,5 м обе составляющие ошибки измерения угла места заметно уменьша- ются. Это объясняется тем, что при таком разбро- се высот, как следует из (6), возмущения поля, создаваемые экранами, взаимно не когерентны, а влияние экранов, ближних к пеленгатору, ослабе- вает вследствие роста для них угла дифракции. 0 2 4 6 8 10 Высота источника излучения, м -2 0 2 4 6 8 У го л м ес та ; С К О и зм е р е н и й , м р ад 4 2 1 3 5 Рис. 6. Средние значения измеренных углов места и их СКО при высоте центра пеленгационной антенны 2 м Рассмотрим влияние на результаты пе- ленгования размера апертуры пеленгационной антенны, т. е. фактически ширины ее диаграммы направленности, и наклона ее оси по отношению к горизонтальной оси, которая в нашей модели совпадает с линией средних высот экранов. Рис. 7 показывает зависимость СКО ошибок из- мерения углов прихода от высоты источника излучения при различных размерах апертур при- емных антенн. 0 2 4 6 8 10 Высота источника излучения, м 0 1 2 3 С р ед н ек в ад р ат и ч ес к о е о тк л о н ен и е о ш и б к и у гл а п р и х о д а, м р ад Рис. 7. Зависимость среднеквадратических значений ошибок измерения углов прихода радиоволны в зависимости от высо- ты источника при различных размерах апертур приемных антенн Высота центра пеленгационной антенны составляла 2 м и h 0,3 м. Сплошная кривая соответствует диаметру апертуры 0,1 м, штрихо- вая – 0,5 м и штрихпунктирная – 1 м. Видно, что во всем диапазоне изменений высот источника излучения увеличение апертуры антенны приво- дит к вполне ожидаемому снижению среднеквад- ратических ошибок измерения угла места. На рис. 8 представлены зависимости среднеквадратических ошибок измерения угла места в зависимости от высоты источника излу- чения при различных наклонах приемной антен- ны в угломестной плоскости при h 0,3 м и высоте центра пеленгационной антенны 2 м. Сплошная кривая показывает зависи- мость СКО ошибок измерений угла места источ- ника излучения при наклоне антенной системы на –10 мрад, т. е. максимум диаграммы направленно- сти антенной системы был наклонен в сторону границ экранов. Штриховая кривая соответствует наклону 0 мрад и штрихпунктирная кривая +15 мрад. Из рис. 7, 8 видно, что влияние как ши- рины диаграммы направленности, так и наклона ее –2 С К О о ш и б к и у гл а п р и х о д а, м р ад В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 501 оси наиболее четко проявляются при высоте излу- чателя более 2 м (высота центра пеленгационной антенны при этих расчетах также составляла 2 м). При таких высотах прямая, соединяющая излуча- тель и приемник, на всем протяжении трассы на- ходится на расстояниях от границ экранов, пре- вышающих радиус первой зоны Френеля, равным примерно 1,1 м в центре трассы и 0,66 м в местах расположения крайних экранов. Это означает, что здесь выполняется неравенство (3, б) и работа происходит в переходной зоне [14], где применимо многолучевое приближение; эффективность при- менения метода внеосевого измерения угла места в таких условиях хорошо известна [16-18]. 0 2 4 6 8 10 Высота источника излучения, м 0 1 2 3 4 5 С р е д н ек в ад р а ти ч ес к о е о тк л о н е н и е о ш и б к и у гл а п р и х о д а , м р ад Рис. 8. Зависимость среднеквадратических значений ошибок измерения углов прихода радиоволны в зависимости от высо- ты источника при различных наклонах приемной антенной системы в угломестной плоскости Выводы. С использованием численного метода моделирования многократной дифракции Френеля на последовательности экранов исследо- ваны особенности измерения угла места источни- ков излучения при малых углах скольжения в окрестностях границ тени. Показано, что при измерении угла места источника излучения пеленгатором, находящимся ниже границы тени, создаваемой одиночным пре- пятствием или их группой, измеренное значение оказывается близким к направлению на границу ближайшего к приемнику экрана. Выше границы тени результаты измерения в среднем соответст- вуют направлению на источник излучения, а ос- цилляции вокруг этого направления подобны су- ществующим при пеленговании над шероховатой в среднем плоской поверхностью раздела. В переходной области, когда расстояние от линии визирования пеленгатор – излучатель на всей трассе превышает радиус первой зоны Френеля, существенно повысить точность изме- рения угла места позволяет применение внеосе- вого метода пеленгования. Таким образом, этот метод оказывается эффективен как в области влияния многолучевого распространения над поверхностью раздела, так и при многократной дифракции. 1. Dougherty H. T., Maloney L. J. Application of Diffraction by Convex Surfaces to Irregular Terrain Situation // Radio Science Jorn. of Res. NBP/USNC-URSI. – 1964. – 68D, No. 2. – P. 239-250. 2. Калинин А. И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. – М.: Связь, 1979. – 296 с. 3. Barton D. Low-Altitude Tracking over rough Surfaces. Theo- retical prediction // Conf. Proc. "EASCON'79, October 9-11, Arlington, VA". – 1979. – 2. – P. 224-234. 4. Кулемин Г. П., Разсказовский В. Б. Рассеяние миллимет- ровых радиоволн поверхностью Земли под малыми угла- ми. – Киев: Наук. думка, 1987. – 230 с. 5. Разсказовский В. Б. Поле миллиметровых радиоволн над сушей при малых углах скольжения // Зарубеж. радио- электрон. Успехи совр. радиоэлектроники. – 2000. – № 3. – С. 3-34. 6. Гонтарь И. Д., Кивва Ф. В., Разсказовский В. Б. и др. Экс- периментальное изучение влияния неоднородной трассы на азимутальные ошибки пеленгования // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2006. – 11, № 2. – C. 222-228. 7. Pogorzelski R. J. A note on common difraction link loss mod- els. // Radio Science Jorn. of Res. – 1982. – 17, No. 6. – P. 1536-1540. 8. Vogler E. An attenuation function for multiple knife-edge dif- fraction // Radio Science. – 1982. – 17, No. 6. – P. 1541-1546. 9. Andersen J. B. UTD Multiple-Edge Transition Zone Diffrac- tion // IEEE Trans. Antennas Propagat. – 1997. – 45, No. 7. – P. 1093-1097. 10. Tzaras C., Saunders S. R. An Improved Heuristic UTD Solu- tion for Multiple-Edge Transition Zone Diffraction // IEEE Trans. Antennas Propagat. – 2001. – AP-49, No. 12. – P. 1678-1682. 11. Walfisc H. L., Bertoni. A theoretical Model of UNF Propaga- tion in Urban Environments // IEEE Trans. Antennas Propagat. – 1988. – 36, No. 12. – P. 1788-1796. 12. Логвинов Ю. Ф., Педенко Ю. А., Разсказовский В. Б. Ди- фракционная модель многолучевого распространения над неровной поверхностью при малых углах скольжения // Изв. вузов. Радиофизика. – 1996. – 39, № 5. – C. 547-558. 13. Разсказовский В. Б., Логвинов Ю. Ф. Множитель ослабле- ния радиоволн при распространении над морем под ма- лыми углами скольжения: модель многократной дифрак- ции // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т ра- диофизики и электрон. НАН Украины. – 2007. – 12, № 1. – C. 168-176. 14. Разсказовский В. Б., Логвинов Ю. Ф. Множитель ослабле- ния радиоволн при распространении над морем под ма- лыми углами скольжения: переходная зона // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2007. – 12, № 1. – C. 177-184. 15. Уфимцев П. Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. – М.: Сов. радио, 1962. – 243 с. 16. Barton D. K. Radar System Analysis and Modelling. – Artec House, Inc., 2005. – 700 p. 17. Dax P. R. Keep Track of that Low-Flying Attack. – Micro- waves, 1976. – P. 36-50. 18. Разсказовский В. Б., Педенко Ю. А. Сравнение методов пеленгования по углу места над морем // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 2004. – 9, № 1. – C. 216-227. С К О о ш и б к и у гл а п р и х о д а, м р ад В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов / Измерение угла места источника… _________________________________________________________________________________________________________________ 502 THE DIFFRACTION MODEL OF RADIOWAVE PROPAGATION IN ELEVATION MEASUREMENT OF TRANSMITTER V. B. Razskazovskyy, Yu. F. Logvinov The elevation measuring of microwave transmitter above the sea surface with wind waves at small grazing angles and low altitudes have been studied in multiple Fresnel diffraction approach by means of numerical methods. It is shown that this model conforms to experimental data on measuring the elevation of transmitter at altitudes comparable to the sea wave height. Key words: diffraction, sea surface, small grazing an- gles. ВИМІР КУТА МІСЦЯ ДЖЕРЕЛА ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРИ ДИФРАКЦІЙНІЙ МОДЕЛІ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ В. Б. Разсказовський, Ю. Ф. Логвінов У наближенні багаторазової дифракції Френеля на напівплощинах чисельним методом досліджено особливості пеленгування джерела випромінювання НВЧ радіохвиль над поверхнею моря з вітровим хвилюванням при малих кутах ковзання і малих висотах над поверхнею. Показано, що така модель не суперечить експериментальним даним з пеленгу- вання джерела випромінювання при висотах, порівнянних з висотами морських хвиль. Ключові слова: дифракція, морська поверхня, малі кути ковзання. Рукопись поступила 3 июля 2008 г.

Измерение угла места источника излучения при дифракционной модели распространения радиоволн

Institution

Similar Items